Критерий выполнимости тяговых генераторов постоянного тока. Перед локомотивостроением поставлена задача повышения мощности тепловозов и увеличения их скоростей. Увеличение объема перевозок предъявляет повышенные требования к тепловозам в отношении надежности и уменьшения расходов на содержание и ремонт. Повышение мощности тепловозов требует уменьшения массы локомотива на единицу мощности, и наша промышленность сделала в этом направлении очень многое. Достаточно сказать, что с начала выпуска первых послевоенных тепловозов масса на единицу мощности снижена почти в 3 раза. Снижение массы достигнуто путем усовершенствования конструкции тепловоза в целом и его отдельных агрегатов. Немалую роль сыграло снижение массы электрических машин, которое обусловлено улучшением конструкции, повышением электрических и магнитных нагрузок и увеличением частоты вращения якоря.
Как отмечалось выще, электрическая передача большинства тепловозов, находящихся в эксплуатации, выполнялась на машинах постоянного тока. Дальнейшее повышение мощности дизелей до 2940-4400 кВт потребовало создания мощных тяговых генераторов практически в тех же габаритных размерах. Изготовление генераторов постоянного тока ограничено требованием сочетания мощности и частоты вращения, которые определяются условиями коммутации и нагревания.
Работами научно-исследовательского института тяжелого электромашиностроения (НИИТЭМ) установлен критерий выполнимости для тяговых генераторов, имеющих двухходовую петлевую обмотку якоря. Критерий выполнимости представляет собой произведение расчетной мощности на частоту вращения якоря, которое не должно превышать определенного значения: Ярп<;3-106 кВт-(об/мин). Здесь расчетная мощность Рр = Рн£р = 1„£/та)(, где Р„, 1„ --мощность и ток при номинальном режиме; 1гр - коэффициент регулирования генератора; и - максимальное напряжение тягового генератора. При частоте вращения коленчатого вала дизеля 1000 об/мин и £р=1,5 предельная мощность генератора 2000 кВт. Заводом «Электротяжмаш» создан опытный генератор постоянного тока мощностью 2700 кВт при 1000 об/мин, но добиться удовлетворительной коммутации, небольших размеров и массы было весьма затруднительно. Поэтому при повышении мощности тепловоза, приходящейся на одну секцию, необходимо использовать машины переменного тока.
Генераторы переменного тока, помимо исключения проблемы коммутации в скользящем контакте, обладают большей надежностью и требуют меньших эксплуатационных расходов. Существенно также снижена масса генератора переменного тока главным образом за счет уменьшения расходов на дорогостоящие коллекторную медь и электротехнические стали. Кроме того, генераторы переменного тока допускают более высокую частоту вращения ротора, что уменьшает массу дизель-генератора.
На опытных образцах тепловозов с передачей переменно-постоянного (ППТ) тока типа ТЭ109, выпущенных в 1967 г. были установлены тяговые синхронные генераторы типа ГС-501 мощностью 2190 кВт, выпрямительная установка УВК.Т-2, тяговые электродвигатели ЭД-107А. Эксплуатация тепловозов ТЭ109 подтвердила преимущества новой передачи. Силовая схема электрической передачи и ее система автоматического регулирования могут быть применены практически на всех тепловозах мощностью 880- 2940 кВт. Это открывает широкие возможности для унификации электрических машин и аппаратов.
Наибольшая мощность тепловозных тяговых электродвигателей постоянного тока для опорно-осевой подвески при диаметре колеса 1050 мм по допустимым электрическим и магнитным перегрузкам составляет примерно 450 кВт, а предельная частота вращения якоря по условиям обеспечения нормальной коммутации - 2200-2300 об/мин. Такие параметры приближаются к предельным для тепловозов секционной мощностью 2940 кВт. Созданные тяговые электродвигатели постоянного тока для грузовых тепловозов мощностью 2940 кВт с диаметром колесной пары 1250 мм имеют диаметр якоря 660 мм и шесть главных полюсов. Такие электродвигатели могут работать на более мощных тепловозах, если применить компенсационную обмотку и новые виды изоляции.
Таким образом, передачи мощности переменно-постоянного тока позволяют преодолеть трудности, связанные с применением тяговых генераторов большой мощности. Дальнейшее совершенствование передачи состоит в замене коллекторного тягового электродвигателя на бесколлекторный двигатель переменного тока. Наиболее перспективным двигателем является асинхронный коротко-замкнутый электродвигатель.,
Требования, предъявляемые к источнику энергии собственных нужд. На современных и перспективных тепловозах появились новые потребители энергии для собственных (вспомогательных) нужд, такие как электропривод компрессора и вентиляторов охлаждения, питание устройств автоматики, электрический обогрев и др.
Каждый из этих потребителей предъявляет определенные требования к источнику электрической энергии по напряжению и частоте. Это приводит к установке на тепловозе нескольких вспомогательных источников электрической энергии. Так, например, на тепловозах 2ТЭ10Л для питания цепей управления, освещения и заряда батареи используется вспомогательный генератор постоянного тока; для возбуждения тягового генератора - возбудитель постоянного тока, а для питания автоматики служит машина переменного тока -- синхронный подвозбудитель. На тепловозах 2ТЭ116 в дополнение к этим источникам для питания привода вентиляторов охлаждения используется и тяговый синхронный генератор. В этом случае нельзя получить оптимальный режим работы асинхронных двигателей при переменной частоте. Оптимальный режим работы асинхронных электродвигателей обеспечивается при выполнении условия и/} = соп${, т. е. при изменении частоты необходимо менять питающее напряжение таким образом, чтобы отношение этих величин поддерживалось постоянным.
Невыполнение этого условия приводит к снижению к. п. д., надежности, увеличению габаритных размеров и массы электродвигателей.
Тяговые электрические аппараты должны устойчиво работать при изменении напряжения от 0,7 до 1,1 номинального. Освещение допускает изменение напряжения на ±2 %, цепи управления на ±3 %. Таким образом, этим потребителям необходим источник энергии, напряжение которого изменяется в небольших пределах. Для питания обмоток возбуждения тягового генератора и электродвигателей необходимо изменять напряжение от нуля до максимального значения при практически неизменном сопротивлении. Напряжение заряда аккумуляторной батареи может изменяться на ±10 % номинального значения при постоянной нагрузке. Напряжение, подводимое к электродвигателю привода компрессора, должно регулироваться от нуля до номинального значения в широком диапазоне изменения нагрузки. Это диктуется тем, что при включении электродвигателя компрессора на номинальное напряжение возникают большие динамические нагрузки. Основная нагрузка источника переменного тока - асинхронные электродвигатели привода вентиляторов. Подача вентиляторов регулируется отключением электродвигателей, поэтому для улучшения разгонных характеристик предъявляются определенные требования к динамическим характеристикам источника.
Устройства автоматики - магнитный усилитель, трансформаторы постоянного тока и напряжения, трансформаторы, датчики частоты и перемещения - питаются переменным током. Такие устройства
Рис. 12.1. Схема питания вспомогательных механизмов тепловоза от синхронного генератора собственных нуждавтоматики, как радиостанция, локомотивная сигнализация, некоторые полупроводниковые и особенно перспективные полупроводниковые устройства, как правило, питаются от индивидуальных статических преобразователей.
Наиболее полно можно удовлетворить требования, предъявляемые к источникам питания вспомогательных нагрузок тепловозов, используя схему, представленную на рис. 12.1. Синхронный генератор собственных нужд ГСН приводится от вала дизеля. На перспективных тепловозах ГСН выполняется в одном агрегате с тяговым синхронным генератором СГ. Напряжение генератора собственных нужд регулируется по закону
/7/1 = С0П5І.
От обмотки статора ГСН получают питание асинхронные электродвигатели А привода вспомогательных механизмов. Потребители постоянного тока получают питание также от обмоток статора через управляемые выпрямители возбуждения УВВ1-УВВ2 или через неуправляемый выпрямитель В. Напряжение УВВ1 и УВВ2 регулируется для создания требуемых характеристик тягового генератора и генератора собственных нужд. Выпрямитель В может использоваться для питания цепей управления ЦУ и заряда аккумуляторной батареи БА.
⇐ | Электрическая схема тепловоза 2ТЭ116 | | Рудая К. И., Логинова Е. Ю. Тепловозы. Электрическое оборудование и схемы. Устройство и ремонт | | Передача мощности тепловоза 2ТЭ121 | ⇒